(57)【要約】【課題】フォトニック結晶構造を含む半導体発光装置を提供する。【解決手段】ｎ型領域とｐ型領域の間に配置された発光領域を含むＩＩＩ族窒化物構造のような半導体構造内にフォトニック結晶を成長させる。フォトニック結晶は、半導体材料の複数の領域とすることができ、これらの領域は、この半導体材料とは屈折率が異なる材料によって分離されている。例えば、フォトニック結晶は、構造内に成長して空隙又はマスク材料の領域によって分離された半導体材料のポストとすることができる。フォトニック結晶を既に成長した半導体層内にエッチングするのではなくフォトニック結晶を成長させることは、効率を低下させることがあるエッチングが原因の損傷を回避し、電気接点がその上に形成される、割り込まれていない平坦な表面を提供する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型領域とｐ型領域の間に配置されて順方向バイアスされた時に波長λの光を放出するように構成された発光領域を含む半導体構造内にフォトニック結晶を成長させる段階、
を含み、
前記フォトニック結晶は、
第１の屈折率を有する半導体材料の複数の領域と、
前記第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する材料の複数の領域と、
を含み、
前記第２の屈折率を有する材料の領域は、前記半導体材料の領域の間にアレイの形に配置され、第２の屈折率を有する材料の各領域は、第２の屈折率を有する材料の最も近い隣りの領域から５λ未満に位置している、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記半導体構造は、ＩＩＩ族窒化物構造であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第２の屈折率を有する材料は、空気であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第２の屈折率を有する材料は、空気、シリコンの酸化物、シリコンの窒化物、シリコンのオキシ窒化物、及び誘電体のうちの１つ又はそれよりも多くを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
フォトニック結晶を成長させる段階は、
複数の開口部を有するマスクを半導体表面上に形成する段階と、
前記開口部を通して半導体材料を成長させる段階と、
を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記開口部を通して成長させた前記半導体材料は、複数の半導体ポストを含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記半導体材料は、前記マスクの厚みよりも大きな厚みを有することを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記半導体材料は、前記マスクの厚みと実質的に同じ厚みを有することを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項９】
前記半導体材料の複数のポストを成長させる前に、前記複数の開口部に金属触媒を準備する段階を更に含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項１０】
前記金属触媒は、ニッケルであることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項１１】
実質的に平坦で割り込まれていない上面を有する半導体層を前記複数のポストの上に成長させる段階を更に含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項１２】
前記半導体構造は、第１の半導体構造であり、
第２の半導体構造を前記ポストに結合する段階、
を更に含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項１３】
ホスト基板を前記ポストに該ホスト基板と該ポストの間に配置された金属結合層によって結合する段階を更に含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項１４】
前記発光領域は、ポスト内に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項１５】
フォトニック結晶を形成するために、複数のポストを成長させる前に前記半導体表面の一部分をエッチングで除去する段階を更に含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項１６】
前記発光領域は、前記フォトニック結晶によって割り込まれていないことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項１７】
前記フォトニック結晶は、前記ｎ型領域に形成されていることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項１８】
前記フォトニック結晶は、前記ｐ型領域に形成されていることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項１９】
前記フォトニック結晶は、ｎ型領域に形成された第１のフォトニック結晶であり、
前記ｐ型領域に第２のフォトニック結晶を形成する段階、
を更に含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項２０】
前記複数のポストの少なくとも１つは、実質的に一定の直径と実質的に真っ直ぐな側壁とを有し、成長基板の表面に対して垂直に成長することを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項２１】
前記第２の屈折率を有する材料の領域は、少なくとも（１／４）λの厚みを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
前記第２の屈折率を有する材料の領域は、前記発光領域の３λ内に位置していることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
前記半導体材料の複数の領域と前記第２の屈折率を有する材料の複数の領域とは、格子定数が０．１λと３λの間の格子の形に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
前記半導体材料の複数の領域と前記第２の屈折率を有する材料の複数の領域とは、格子定数が０．１λとλの間の格子の形に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
前記第２の屈折率を有する材料は、空気であり、
前記半導体材料の複数の領域と前記第２の屈折率を有する材料の複数の領域とは、格子定数が０．３５λと０．５５λの間の格子の形に配置されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２６】
前記半導体材料の複数の領域と前記第２の屈折率を有する材料の複数の領域とは、線形回折格子の形に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２７】
前記半導体材料の複数の領域と前記第２の屈折率を有する材料の複数の領域とは、格子の形に配置され、該格子の少なくとも一部分は、三角形、蜂の巣、アルキメデス、及び準結晶の格子のうちの１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２８】
前記半導体材料の領域のうちの１つの半径は、前記格子定数の０．３６倍であることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記ｎ型領域の一部分を露出するために前記ｐ型領域と前記発光領域の一部分をエッチングで除去する段階と、
前記ｐ型領域の残りの部分と前記ｎ型領域の前記露出された部分上に電気接点を形成する段階と、
前記電気接点をキャリアに取り付ける段階と、
を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３０】
前記半導体は、成長基板上に成長させ、
前記キャリアと前記半導体構造の間の空隙を充填する段階と、
前記成長基板を除去する段階と、
を更に含むことを特徴とする請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記半導体構造は、成長基板上に成長させ、
前記半導体構造の表面をキャリアに取り付ける段階と、
前記成長基板を除去する段階と、
を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３２】
ｎ型領域とｐ型領域の間に配置されて波長λの光を放出するように構成された発光層を含み、上面と下面を有する半導体構造と、
第１の屈折率を有する半導体材料の複数の領域、及び
前記第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する材料の複数の領域、
を含み、
前記第２の屈折率を有する材料の領域が、前記半導体材料の領域の間にアレイの形に配置され、第２の屈折率を有する材料の各領域が、第２の屈折率を有する材料の最も近い隣の領域から５λ未満に位置している、
前記半導体構造内に配置されたフォトニック結晶と、
を含み、
前記発光層は、前記フォトニック結晶内に配置され、
前記半導体構造の前記上面と前記下面は、前記フォトニック結晶によって割り込まれていない、
ことを特徴とする装置。
【請求項３３】
前記発光層は、ＩＩＩ族窒化物層であることを特徴とする請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
前記第２の屈折率を有する材料は、空気であることを特徴とする請求項３２に記載の装置。
【請求項３５】
前記第２の屈折率を有する材料は、シリコンの酸化物、シリコンの窒化物、シリコンのオキシ窒化物、及び誘電体のうちの１つを含むことを特徴とする請求項３２に記載の装置。
【請求項３６】
前記第２の屈折率を有する材料の領域は、少なくとも（１／４）λの厚みを有することを特徴とする請求項３２に記載の装置。
【請求項３７】
前記半導体材料の複数の領域と前記第２の屈折率を有する材料の複数の領域とは、格子定数が０．１λと３λの間の格子の形に配置されていることを特徴とする請求項３２に記載の装置。
【請求項３８】
前記半導体構造の下面上に配置された第１の接点と、
前記半導体構造の上面上に配置された第２の接点と、
を更に含むことを特徴とする請求項３２に記載の装置。
【請求項３９】
前記上面は、実質的に平坦な表面を含み、
前記発光層の一部分と前記ｎ型領域及び前記ｐ型領域の一方の一部分は、前記下面が該ｎ型領域の露出部分と該ｐ型部分の露出部分を含むように該下面から除去されており、
第１の接点が、前記ｎ型領域の前記露出部分上に形成されており、
第２の接点が、前記ｐ型領域の前記露出部分上に形成されている、
ことを特徴とする請求項３２に記載の装置。
【請求項４０】
ｎ型領域とｐ型領域の間に配置されて波長λの光を放出するように構成された発光層を含み、上面と下面を有する半導体構造と、
第１の屈折率を有する半導体材料の複数の領域、及び
前記第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する材料の複数の領域、
を含み、
前記第２の屈折率を有する材料の領域が、前記半導体材料の領域の間にアレイの形に配置され、第２の屈折率を有する材料の各領域が、第２の屈折率を有する材料の最も近い隣の領域から５λ未満に位置している、
前記ｐ型領域内に配置されたフォトニック結晶と、
を含み、
前記半導体構造の前記上面と前記下面は、前記フォトニック結晶によって割り込まれていない、
ことを特徴とする装置。
【請求項４１】
前記フォトニック結晶は、第１のフォトニック結晶であり、
前記ｎ型領域内に配置された第２のフォトニック結晶、
を更に含むことを特徴とする請求項４０に記載の装置。
【請求項４２】
前記発光層は、ＩＩＩ族窒化物層であることを特徴とする請求項４０に記載の装置。
【請求項４３】
前記第２の屈折率を有する材料は、空気であることを特徴とする請求項４０に記載の装置。
【請求項４４】
前記第２の屈折率を有する材料は、シリコンの酸化物、シリコンの窒化物、シリコンのオキシ窒化物、及び誘電体のうちの１つを含むことを特徴とする請求項４０に記載の装置。
【請求項４５】
前記第２の屈折率を有する材料の領域は、少なくとも（１／４）λの厚みを有することを特徴とする請求項４０に記載の装置。
【請求項４６】
前記半導体材料の複数の領域と前記第２の屈折率を有する材料の複数の領域とは、格子定数が０．１λと３λの間の格子の形に配置されていることを特徴とする請求項４０に記載の装置。
【請求項４７】
前記半導体構造の下面上に配置された第１の接点と、
前記半導体構造の上面上に配置された第２の接点と、
を更に含むことを特徴とする請求項４０に記載の装置。
【請求項４８】
前記上面は、実質的に平坦な表面を含み、
前記発光層の一部分と前記ｎ型領域及び前記ｐ型領域の一方の一部分は、前記下面が該ｎ型領域の露出部分と該ｐ型部分の露出部分を含むように該下面から除去されており、
第１の接点が、前記ｎ型領域の前記露出部分上に形成されており、
第２の接点が、前記ｐ型領域の前記露出部分上に形成されている、
ことを特徴とする請求項４０に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶構造を含む半導体発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）のような発光装置は、技術的にも経済的にも有利な半導体光源である。ＬＥＤは、高輝度の光を確実に供給することができるので、過去数十年間の間にフラットパネルディスプレイ、交通信号灯、及び光通信を含む多くの用途で重要な役割を果たしてきた。ＬＥＤは、順方向バイアスされたｐ−ｎ接合を含む。電流で駆動される時に、接合領域に電子と正孔が注入され、そこでそれらが再結合してフォトンを放出することによってエネルギを解放する。可視スペクトルにわたって作動可能である高輝度発光装置の製造において現在興味のある材料システムは、ＩＩＩ−Ｖ族半導体、特に、ＩＩＩ族窒化物材料とも呼ばれるガリウム、アルミニウム、インジウム、及び窒素の二元、三元、及び四元合金を含む。
【０００３】
ＬＥＤの品質は、例えば、発光領域で生成されたフォトンに対する装置から抽出されたフォトンの比率を測るその抽出効率によって特徴付けることができる。抽出効率は、例えば、装置のｐ型、ｎ型、及び発光領域を形成する高屈折率半導体結晶の壁で複数の内部全反射を受ける放出フォトンによって制約される。その結果、放出フォトンの多くが自由空間内に逃げず、典型的に３０％未満の低い抽出効率をもたらしている。
【０００４】
ＬＥＤの抽出効率を高めるための様々な手法が提案されている。抽出効率は、例えば、立方体、円柱、ピラミッド、及びドーム状の形状を含む適切な幾何学形状を作成することにより、放出フォトンが逃げることができる空間角度を拡大することによって増大することができる。しかし、これらの幾何学形状のどれも、内部全反射による損失を完全に除去することはできない。
損失の更に別の原因は、ＬＥＤと周囲媒体の間の屈折率の不整合によって引き起こされる反射である。反射防止コーティングによりそのような損失を低減することができるであろうが、特定のフォトンエネルギと１つの入射角度でのみ反射を完全に相殺することができることになる。
【０００５】
「周期的誘電構造を使用する発光装置」という名称のＪｏａｎｎｏｐｏｕｌｏｓ他に付与された米国特許第５，９５５，７４９号は、抽出効率を高める問題に対する手法を説明している。米国特許第５，９５５，７４９号によれば、発光ダイオードの半導体層を貫通して正孔の格子を形成することにより、フォトニック結晶が生成される。正孔の格子は、周期的に変調された誘電率を有する媒体を作り出し、光が媒体を通って伝播する方法に影響を及ぼす。発光ダイオードのフォトンは、フォトンのエネルギと波長の間の関係を説明するそれらのスペクトル又は分散関係によって特徴付けることができる。その関係は、プロットすることができ、バンドギャップによって分離されたエネルギバンド又はフォトニックバンドから成るフォトニックバンド図をもたらす。フォトニックバンド図は、電子バンド図に表現されるような結晶格子内の電子のスペクトルに近似しているが、フォトニックバンド図は、電子バンド図とは無関係である。ＬＥＤ内にフォトニック結晶が形成されると、それが構造内で光が伝播する方法に影響を及ぼす。従って、適正な格子間隔が選択された場合には、そうでなければ内部全反射によって構造内に捕捉されたであろう光が今度は逃げることができ、ＬＥＤの抽出を増大させる。また、交替する格子は、ＬＥＤ構造内のフォトンモード容積を低減することができ、ＬＥＤ活性層の放射速度又は内部効率を増大させる。
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５，９５５，７４９号
【特許文献２】米国特許公開第２００３／０１４１５０７号
【非特許文献１】Ｇ．Ｂ．Ｓｔｉｎｇｆｅｌｌｏｗ及びＭ．Ｇｅｏｒｇｅ  Ｃｒａｆｏｒｄ著「高輝度発光ダイオード」、「Ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ  Ｐｒｅｓｓ」出版、１９９７年
【非特許文献２】Ｋｉｐｓｈｉｄｚｅ他著「パルス有機金属化学気相成長法によるＧａＮナノワイヤの制御された成長」、応用物理学レター、８６、０３３１０４（２００５）
【非特許文献３】Ｓ．Ｈｏｆｆｏｕｚ他著「有機金属気相エピタキシによるＧａＮパターン化基板の横方向過成長に対するマグネシウム及びシリコンの影響」、「ＭＲＳ  Ｉｎｔｅｒｎｅｔ  Ｊ．Ｎｉｔｒｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄ．Ｒｅｓ．」、３、８（１９９８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
米国特許第５，９５５，７４９号は、完全で機能的な発光装置を形成する方法を教示しておらず、ＧａＡｓベースの結晶におけるフォトニック結晶発光装置の形成を提案するものである。当業技術で必要とされるのは、ＩＩＩ族窒化物フォトニック結晶発光装置のための設計とそのような装置を製造する方法である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態によれば、ｎ型領域とｐ型領域の間に配置された発光領域を含むＩＩＩ族窒化物構造のような半導体構造内にフォトニック結晶を成長させる。フォトニック結晶は、半導体材料の複数の領域とすることができ、これらの領域は、この半導体材料とは屈折率が異なる材料によって分離されている。例えば、フォトニック結晶は、構造内に成長して空隙又はマスク材料の領域によって分離された半導体材料のポストとすることができる。フォトニック結晶を既に成長した半導体層内にエッチングするのではなくフォトニック結晶を成長させることは、効率を低下させることがあるエッチングが原因の損傷を回避し、電気接点がその上に形成される、割り込まれていない平坦な表面を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、２００２年１月２８日出願で本明細書において引用により組み込まれている「フォトニック結晶構造を使用したＬＥＤ効率」という名称の米国特許公開第２００３／０１４１５０７号に更に詳細に説明されているＩＩＩ族窒化物フォトニック結晶ＬＥＤ（ＰＸＬＥＤ）１００を示している。
図１のＰＸＬＥＤ１００では、ｎ型領域１０８は、例えば、サファイア、ＳｉＣ、又はＧａＮとすることができる成長基板１０２の上に形成され、活性領域１１２は、ｎ型領域１０８の上に形成され、ｐ型領域１１６は、活性領域１１２の上に形成される。領域１０８、１１２、及び１１６の各々は、単一の層、又は組成、厚み、又はドーパント濃度が異なるか又は同じ複数の層とすることができる。ｐ型領域１１６と活性領域１１２の一部分は、ｎ型領域１０８の一部分を露出するためにエッチングで除去することができ、次に、ｐ型領域１１６上にｐ接点１２０が形成され、ｎ型領域１０８の露出された部分上にｎ接点１０４が形成される。装置は、図１に示すようにひっくり返すことができ、接点１０４と１２０を通じてマウント（図示しない）に接続することができる。
【００１０】
活性領域１１２は、ｎ型領域１０８からの電子が、ｐ型領域１１６の正孔と結合し、理想的にはフォトンの形態でエネルギを放出する接合領域を含む。活性領域１１２は、フォトンの生成を最適化するために量子井戸構造を含むことができる。例えば、１９９７年に「Ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ  Ｐｒｅｓｓ」出版の「高輝度発光ダイオード」において、Ｇ．Ｂ．Ｓｔｉｎｇｆｅｌｌｏｗ及びＭ．Ｇｅｏｒｇｅ  Ｃｒａｆｏｒｄによって多くの異なる量子井戸構造が説明されている。図１のＰＸＬＥＤ１００のフォトニック結晶は、ＬＥＤ内に正孔１２２−ｉの周期的構造を形成することによって生成される。
【００１１】
図１に示す装置では、第１にｎ型領域が基板上に形成され、続いて活性領域とｐ型領域が形成される従来のＩＩＩ族窒化物構造が製作される。図１に示すフォトニック結晶装置と米国特許第５，９５５，７４９号に説明した装置は、いくつかの欠点を有する場合がある。例えば、図１の装置内のフォトニック結晶構造は、周期的構造を形成する正孔のアレイを形成するためにｐ型領域内へのドライエッチングによって形成される場合がある。ドライエッチングは、反応性イオン、誘電結合プラズマ、集束イオンビーム、スパッタ、電子サイクロトロン共鳴、化学支援型イオンビームエッチングとすることができる。ｐ型材料のドライエッチングは、エッチングが結晶を損傷させ、ｎ型ドナーを生成する窒素空孔の原因になる可能性があるために問題が多い。ｐ型領域１１６では、ｎ型ドナーの存在は、正孔の濃度を低下させ、結晶への過酷な損傷の場合に、領域１１６の導電型をｎ型に変化させる可能性がある。本発明者は、ドライエッチングが原因の損傷がエッチングされた領域近辺の局所的な区域に限定されず、結晶の非エッチング区域を通して垂直及び水平に伝播する場合があり、場合によってはｐ−ｎ接合を除去して装置を電気的に作動不能にすることを既に発見している。米国特許第５，９５５，７４９号に説明した装置はまた、ｐ型材料を通してエッチングするので、本発明者によって観測された同じ広範囲の損傷を受けることがある。また、フォトニック結晶を図１のように活性領域のごく近くか又はそれを通して形成することが望ましいことをモデル化が既に明らかにしているが、活性領域内の量子井戸を通してエッチングすると、表面の再結合を生じて装置の効率を低下させる可能性がある。
【００１２】
本発明の実施形態によれば、フォトニック結晶は、エッチングされるのではなく半導体発光装置内で成長する。図１１は、フォトニック結晶の例の上面図である。領域２は、屈折率が異なる材料の領域４によって割り込まれている。例えば、図１１のフォトニック結晶は、上述のように半導体材料中にエッチングされた正孔のアレイではなく、空気領域２によって囲まれた成長した半導体材料の半導体ポスト４のアレイにすることができる。代替的に、領域２は、正孔４と共に成長した半導体領域とすることができる。
【００１３】
フォトニック結晶構造は、最大と最小が交替する半導体領域の１つの厚みの周期的変動を含むことができる。一例は、上述のように（二次元格子）、半導体材料のポストの回折格子（一次元格子）又は平面格子である。格子は、ポストの直径ｄ、最も近い隣接ポストの中心間の距離を測る格子定数ａ、ポストの高さｗ、及びポスト回りに配置された誘電体の誘電率εhによって特徴付けられる。パラメータａ、ｄ、ｗ、及びεhは、バンドの状態の密度、及び特にフォトニック結晶のスペクトルのバンドエッジにおける状態の密度に影響を及ぼすものである。パラメータａ、ｄ、ｗ、及びεhは、従って、装置によって放出される放射パターンに影響を及ぼし、装置からの抽出効率を高めるように選択することができる。代替的に、適正なフォトニック結晶パラメータが選択されると、放出光の放射パターンを狭くすることができ、ＬＥＤの放射輝度を増加させる。これは、特定の角度の光だけが有用な用途において有用である。一実施形態では、フォトニック結晶パラメータは、装置を出て行く放射の５０％よりも多くが、装置の表面に垂直な軸線に対して４５度の角度で形成された出口円錐の形で放出されるように選択される。
【００１４】
ポストは、三角形、正方形、六角形、蜂の巣、又は他の公知の二次元格子型を形成するように配置することができる。複数の格子型を装置の同じ領域に含めることができ、又は装置からの光の伝播に対するより大きな制御をもたらす場合がある準結晶を生成するのに使用することができる。図１３と１４は、準結晶を生成する正孔の構成の２つの例を示している。図１３と１４に示すように、準結晶は、正方形１３１と三角形１３２の反復パターンの頂点に位置する正孔のパターンである。そのような反復パターンは、多くの場合にアルキメデスの格子又はペンローズのタイルと呼ばれる。準結晶の格子定数ａは、反復パターンにおける三角形又は正方形の一辺の長さである。
一部の実施形態では、装置の異なる領域に異なる格子型が形成される。例えば、全放射パワー（放射効率）を最適化するように設計された１つのフォトニック結晶構造を、装置の１つの領域に形成することができ、光抽出（抽出効率）を最適化するように設計された別のフォトニック結晶構造を、装置の別の領域に形成することができる。
【００１５】
ポストは、六角形断面を有することが多いが、他の断面も可能である。一部の実施形態では、格子間隔ａは、約０．１λと約１０λの間であり、より好ましくは、約０．１λと約５λの間であり、より好ましくは、約０．１λと約３λの間であり、より好ましくは、約０．１λと約１λの間であり、ここで、λは、活性領域によって放出された光の装置内の波長である。一部の実施形態では、格子定数ａは、フォトニック結晶のバンドギャップ内か又はそれに近く選択される。例えば、ＧａＮ層内に形成されて空気で充填した正孔の三角形格子では、０．３５λから０．５５λの範囲の格子定数は、その範囲の下限での抽出に有利なバンドギャップ内であり、その範囲の上限での内部効率に有利なバンドエッジにある。０．３５λから０．５５λの格子定数の範囲は、０．３６ａのポストの半径を仮定している。一部の実施形態では、ポストは、ａを格子定数とすると、約０．１ａと約０．５ａの間の直径ｄを有することができる。ポストは、空気又は誘電率εhが多くの場合に約１と約１６の間の任意的な誘電体で取り囲むことができる。可能な誘電体は、以下の例に説明するマスク層とすることができる酸化珪素を含む。一部の実施形態では、ポストの高さｗは、少なくとも０．２５λである。ポストの高さは、ポストのない平坦な層上に電気接点を形成することを優先させるために制限されるので、ポストは、装置の高さ全体に延びることができない。発光領域がフォトニック結晶によって割り込まれない平坦な層であり、フォトニック結晶が発光領域の上方又は下方に配置されている実施形態では、フォトニック結晶は、好ましくは、発光領域の３λ内まで延びる。
【００１６】
本発明の一部の実施形態では、発光領域は、フォトニック結晶を形成する成長した半導体材料のポストに含まれる。図２−５及び６Ａ−６Ｃは、そのような装置の例を示している。図２の装置では、ｎ型領域２２は、例えば、サファイア、ＳｉＣ、又はＧａＮのようないずれかの適切な基板２０の上に従来的に成長する。ｎ型領域２２は、ｎ型クラッド層及びｎ型接触層のようなｎ型装置の層がその上に成長する高品質テンプレートをもたらすように設計されたバッファ層又は核生成層のような例えば任意的な準備層のような厚み、組成、及びドーパント濃度が異なる複数の層を含むことが多い。ｎ型領域２２は、意図的にドープされていない層を含むことができる。成長基板２０が除去された実施形態では、ｎ型領域２２は、成長基板２０の取り外しを容易にするか又は成長基板２０が除去された後のエピタキシャル層の薄層化を容易にする層を含むことができる。
【００１７】
平坦なｎ型領域２２の上にＳｉＯ2のようなマスク層２４が形成される。マスク層２４は、例えば、２００ｎｍ未満の厚みの薄い層にすることができる。開口部がマスク２４に形成される。フォトニック結晶を形成することになる半導体材料のポストが開口部に成長する。ｎ型材料のポスト２６が第１に成長し、続いて発光領域材料のポスト２８が成長する。本明細書に説明する例では、発光領域は、例えば、単一の厚い発光層、単一の薄い量子井戸、バリア層によって分離された複数の薄い量子井戸、及びバリア層によって分離された複数の厚い発光層を含むいずれかの適切な発光領域構造とすることができる。発光領域２８の後に、ｐ型材料のポスト３０が成長する。ポストのサイズ、高さ、間隔、及び編成は、上述のようにフォトニック結晶を形成するように選択することができる。
【００１８】
半導体ポストは、例えば、本明細書において引用により組み込まれているＫｉｐｓｈｉｄｚｅ他著「パルス有機金属化学気相成長法によるＧａＮナノワイヤの制御された成長」、応用物理学レター、８６、０３３１０４（２００５）に説明されているように、低圧有機金属化学気相成長法によって形成することができる。成長は、搬送ガスとしてのＮ2と共にトリメチルガリウムのようなＩＩＩ族前駆物質とアンモニアのようなＶ族前駆物質とを使用し、低圧、例えば３０トルて実行することができる。成長は、マスク２４の開口部に２−５ナノメートルの厚みに形成されたニッケルのような金属触媒の島によって核生成される。ニッケルは、Ｇａと気相から供給された活性窒素により過飽和状態になる。核生成した状態で、半導体とニッケルの間の固体−液体界面で半導体ポストの成長が起きる。成長ガス間の気相反応を防止するために、成長は、Ｖ族前駆物質のパルスが所定時間にわたってリアクタに導入され、続いて遅延され、更にＩＩＩ族前駆物質のパルスが続くようなパルス状にすることができる。得られるポストは、一定の直径と平滑な側壁を有して基板表面に対して垂直に成長する。
【００１９】
代替的に、ポストは、本明細書において引用により組み込まれている、Ｓ．Ｈｏｆｆｏｕｚ他著「有機金属気相エピタキシによるＧａＮパターン化基板の横方向過成長に対するマグネシウム及びシリコンの影響」、「ＭＲＳ  Ｉｎｔｅｒｎｅｔ  Ｊ．Ｎｉｔｒｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄ．Ｒｅｓ．」、３、８（１９９８）に説明されているように成長させることができる。Ｈｏｆｆｕｚは、成長マスク内のミクロンサイズの開口部による成長基板表面のパターン化を説明している。マスクは、マスクの上の成長を防止するものである。成長は、マスク開口部で始まり、成長中に流入するドーパントの種類と濃度次第で、マスクまで及びそれを超えて横方向過成長モードで進行することができるか又は優先的に垂直に成長することができる。例えば、円柱形の成長が望ましい場合、成長中に大流量のＳｉＨ4が使用される。横方向過成長が望ましい場合、小流量のＳｉＨ4又はＣｐ2Ｍｇが使用される。
【００２０】
ｐ型ポスト３０が成長した後に、ポストの上に反転したピラミッドが形成されるように成長条件が変更され、これらのピラミッドは、最終的に接続してポストの上に平坦な層３２とポスト間に空間２５とを形成する。金属触媒は、使用されている場合には、平坦な層３２の成長の前に取り除かれる。上に引用したＨｏｆｆｏｕｚ他は、ｐ型ＭｇドープＩＩＩ族窒化物材料に対する横方向過成長技術を説明している。ｐ型ポスト３０と平面ｐ型領域３２は、例えばｐ型クラッド層及びｐ型接触層のような厚み、組成、及びドーパント濃度が異なる複数の層を含むことができる。
【００２１】
平面ｐ型領域３２の成長の後に、ｐ接点（図示しない）を形成する１つ又はそれよりも多くの金属層がｐ型領域３２上に堆積される。ｐ接点は、オーム接触層、反射層、及び保護金属層のような複数の層を含むことができる。反射層は、多くの場合に銀又はアルミニウムである。保護金属は、例えば、ニッケル、チタン、又はタングステンを含むことができる。保護金属は、特に銀の反射層の場合に、反射金属層が移動するのを防止するように、かつ半導体構造をホスト基板に結合するために使用される結合層のための接着層をもたらすように選択することができる。
【００２２】
半導体構造は、次に、ホスト基板に金属結合することができ、図１２に示すように薄膜装置に加工される。典型的に金属である１つ又はそれよりも多くの結合層９０は、半導体構造とホスト基板９２の間の熱圧着結合又は共晶接合のための適合材料として機能することができる。適切な結合層金属の例は、金と銀を含む。ホスト基板９２は、成長基板が除去された後の半導体層に対する機械的な支持を提供し、金属層９０を通してｐ型領域に対して電気接触を提供する。ホスト基板は、導電性（すなわち、約０．１Ωｃｍ未満）であり、熱伝導性であり、半導体層に適合する熱膨張係数を有し、強固な結合を形成するのに十分なほど平坦である（すなわち、自乗平均平方根粗度が約１０ｎｍよりも小さい）ように選択される。適切な材料は、例えば、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｃｕ／Ｍｏ、及びＣｕ／Ｗのような金属と、オーム接触を備えたＳｉ及びオーム接触を備えたＧａＡｓのような、例えば、Ｐｄ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇのうちの１つ又はそれよりも多くを含む金属接点を備えた半導体と、圧縮ダイヤモンド及びＡｌＮのようなセラミックとを含む。
【００２３】
ホスト基板と半導体構造は、高温高圧で互いに圧縮され、結合層の間に耐久性のある金属結合を形成する。一部の実施形態では、結合は、半導体構造を備えたウェーハが個々の装置にダイスカットされる前にウェーハスケール上で行われる。代替的に、結合は、半導体構造を備えたウェーハが個々の装置にダイスカットされた後にダイスケール上で行われる。結合のための温度及び圧力の範囲は、得られる結合の強度によってその下限が制限され、ホスト基板と半導体構造の安定性によってその上限が制限される。例えば、高温及び／又は高圧は、半導体構造内のエピタキシャル層の分解、ｐ接点の剥離、例えばｐ接点内の拡散バリアの破損、又は半導体層内の成分材料のガス放出を引き起こす可能性がある。適切な温度範囲は、例えば、約２００℃から約５００℃である。適切な圧力範囲は、例えば、約１００ｐｓｉから約３００ｐｓｉである。
【００２４】
ホスト基板に結合した後に、成長基板２０は、成長基板材料に適切な技術によって除去することができる。サファイア成長基板は、例えば、レーザ溶解によって除去することができる。他の除去技術には、エッチングとラッピングが含まれる。成長基板が除去された状態で、ｎ型領域２２を望ましい厚みに薄層化するか、又は成長基板２０に隣接する低品質の準備層を除去することができる。次に、ｎ型領域２２の露出された表面上にｎ接点９６を形成することができる。ｐ接点が反射性なので、ｎ型領域２２の露出された表面を通して装置から光が抽出される。
【００２５】
代替的に、図２の装置は、成長基板２０が装置上に残り、光が成長基板を通して装置から抽出されるフリップチップに加工することができる。ｐ型領域３０及び３２の一部分と発光領域２８とが除去されて、ｎ型領域２２又は２４の一方の一部が露出する。ｎ型領域の一方の露出部上にｎ接点が形成され、ｐ型領域３２の残っている部分上にｐ接点が形成される。ダイは、キャリアに接続したフリップチップであり、光は、基板２０を通して装置から抽出される。光抽出を更に改善するために、基板２０は、半導体構造の機械的支持のためのダイを充填不足にし、次に、例えばレーザリフトオフ、エッチング、又はラッピングにより基板を除去することによって除去することができる。
【００２６】
図３は、発光領域が、フォトニック結晶を形成する成長した半導体材料のポストに含まれている装置の別の例を示している。ｎ型領域２２、ｎ型ポスト２６、発光領域ポスト２８、及びｐ型ポスト３０は、図２に関連して上述したように成長する。平面ｐ型領域３２をポストの上に成長させる代わりに、ポストの成長の後に成長が中止され、第２の成長基板４２上に成長した半導体領域４０に構造が結合される。半導体領域４０は、例えば、ｐ型領域とすることができる。
【００２７】
半導体ポストの上面と半導体領域４０の表面は、高温高圧の条件下で互いに結合される。結合のための適切な温度は、例えば、７００℃と１２００℃の間とすることができ、結合のための適切な圧力は、例えば、５ｐｓｉと１５００ｐｓｉの間とすることができる。表面は、指定の期間にわたって、例えば、少なくとも２分、多くの場合に少なくとも３０分にわたって、例えばＮ2又はＮＨ3の雰囲気中で上述の温度と圧力で互いに圧縮されるであろう。これらの条件の下で、２つの表面の間に強固な半導体結合が形成される。このような結合は、付加的な半導体層の成長のような結合に続く更に別の半導体処理に必要な温度に耐えることができる。半導体ウェーハ結合以外に、拡散半田結合のような他の結合技術を使用することができる。拡散半田結合では、Ｚｎ及びＳｎのような１つ又はそれよりも多くの金属が結合境界に堆積されて低温で結合される。ＺｎＳｎ結合は、例えば９００℃を超える温度の高温で安定である。別の代替方法では、表面は、結合層としてＡｌのような薄い金属フィルムを使用して結合される。Ａｌは、２つの半導体表面内に合金化することができ、高温で安定した結合を生成する。
【００２８】
結合の後に、成長基板２０と成長基板４２の一方を除去することができ、半導体表面を露出する。接点は、ｐ型ポスト３０の上部ではなく、いずれかの基板の除去によって露出された、割り込まれていない平坦な表面上により容易に形成することができる。成長基板４２が除去された後に、得られる装置は、共に図２に関連して上述した薄膜装置又はフリップチップに加工することができる。
図４の装置は、図２に関連して上述したように、半導体ポストがホスト基板４６に金属結合されたこと（４４）以外は図３の装置と同様である。成長基板２０は、図２に関連して上述したように除去することができる。
【００２９】
図２、３、及び４に示す装置の各々では、フォトニック結晶を形成する半導体ポストは、薄いマスク層２４の開口部を通して成長する。図５に示す装置では、半導体ポストは、厚いマスク層４８の開口部を通して成長する。マスク４８は、０．２５λよりも厚いＳｉＯ2とすることができる。マスク４８の開口部は、開口部内に成長した半導体材料がポストのアレイを形成するように配置することができる。代替的に、マスク４８は、マスクがポストのアレイを形成し、半導体材料がマスク材料ポスト間の区域を充填するように形成することができる。マスクは、マスクされた領域の間の区域に成長を制限し、従って、前駆ガスを強制的にマスク４８の開口部の中に入れるために成長中により高い圧力、例えば１００トルを超える圧力が必要な場合があること以外に特別な成長技術は必要ではない。半導体ポストがマスク４８の上部に到達した状態で、ｐ型領域５０は、割り込まれていない平坦なシートに成長する。マスク４８は、図５に示すように半導体ポスト間の間隙に残すか、又は半導体ポスト間に空隙を生成するために平面ｐ型領域５０の成長の前に除去することができる。
【００３０】
図６Ａ−Ｃは、半導体ポストがドライエッチングによって形成されたテンプレート上に成長する、図２−４に示す装置を成長させる代替の方法を示している。図６Ａに示すように、平坦なｎ型領域２２が基板２０の上に成長する。マスク層５２がｎ型領域２２の上に形成され、次に、ｎ型領域２２の一部分がエッチングで除去されてｎ型ポスト５４を形成する。マスク５２が除去されて成長が再開される。成長条件は、核生成がポスト５４間の区域で発生しないように選択され、成長は、ポスト５４上だけで継続する。例えば１００トルよりも低いような低圧での成長、又はｎ型ドーパント前駆物質の流量が高い成長は、成長をポスト５４の上部に制限するであろう。上述のように、発光領域ポスト２８が成長し、ｐ型領域ポスト３０がそれに続く。装置は、図２に示すように割り込まれていない平面ｐ型領域を成長させ、図３に示すように半導体ポストを半導体領域に結合し、又は図４に示すように半導体ポストをホスト基板に金属結合することによって完成させることができる。
【００３１】
図２−５と６Ａ−６Ｃに示す実施形態では、発光領域２８は、フォトニック結晶を形成する半導体ポスト内に位置する。半導体ポストの成長は、マスキングとエッチングによっては達成することが困難である深さにフォトニック結晶を形成させる。更に、半導体ポストの成長は、ドライエッチングによるフォトニック結晶の形成によって引き起こされる損傷と高い表面再結合を防止する。そのような損傷は、発光領域に対して特に問題になる。
【００３２】
本発明の一部の実施形態では、発光領域は、フォトニック結晶によって割り込まれない平坦な層であり、フォトニック結晶を形成する成長した半導体材料のポストの前及び／又は後に形成される。図７−１０は、そのような装置の例を示している。図７に示されている装置では、ｎ型領域２２は、上述のように基板２０の上に成長する。割り込まれていない平坦な発光領域３４は、ｎ型領域２２の上に成長し、続いて薄いｐ型領域３６が成長する。例えば、上述のように、ｐ型領域３６は、厚みを３λよりも薄くすることができる。フォトニック結晶と発光領域の間の厚みが薄くなると装置性能の改善が期待されるので、ｐ型領域３６は、できる限り薄く成長させる。図２に関連して上述したようなｎ型領域２２上に形成されたマスクと同様に、開口部を有する薄いマスク層が、次にｐ型領域３６の上に形成される。フォトニック結晶を形成するｐ型半導体ポストは、マスク２４の開口部を通して成長する。ｐ型ポスト３８の成長の後に、図７に示すように平面ｐ型領域３２をポストの上に成長させることができ、又は図３に示すように半導体領域をポスト３８に結合することができ、又は図４に示すようにホスト基板をポスト３８に金属結合することができる。
【００３３】
代替的に、フォトニック結晶は、図１０に示すようにｎ型領域内に活性領域の下に配置することができる。図１０に示す装置では、平坦なｎ型領域２２が、成長した基板２０の上に成長する。フォトニック結晶を形成するｎ型ポスト２６は、マスク２４の開口部を通して成長する。割り込まれていない平坦なｎ型領域８０、発光領域８２、及びｐ型領域８４は、ｎ型ポスト２６の上に配置される。ｎ型領域８０、発光領域８２、及びｐ型領域８４は、ポスト２６の上に成長させることができ、又は、図３に関連して上述したように、それらは、別の成長基板上に成長させてｎ型ポスト２６に結合することができる。
【００３４】
図８に示す装置は、平面発光領域の各反対側に配置された２つのフォトニック結晶を含む。開口部を有する厚いマスク層５６が、ｎ型領域２２の上に形成される。マスク５６は、例えば、少なくとも０．２５λの厚みにすることができる。第１のフォトニック結晶を形成するｎ型ポスト５８は、マスク５６の開口部を通して成長する。ｎ型材料の成長は、マスク５６の上で続き、割り込まれていない平坦なｎ型領域６０を形成する。発光領域３４は、ｎ型領域６０の上に成長し、薄いｐ型領域３６がそれに続く。上述のように、ｎ型領域６０とｐ型領域３６は、各々３λよりも小さな厚みを有することができる。開口部を有する第２の厚いマスク層６２が、ｐ型領域３６の上に形成され、次に、ｐ型ポスト６４が、マスク６２の開口部を通して成長し、マスク６２の上に成長する、割り込まれていない平面ｐ型領域６６が続く。一部の実施形態では、図８に示す２つのフォトニック結晶内の半導体の空隙は整列している。
【００３５】
図９に示す装置では、フォトニック結晶は、上述のようにポストからではなくピラミッドから形成される。ピラミッドは、図２に関連して上述したポストを形成するための成長技術とは対照的に、ＩＩＩ族窒化物材料がマスクの開口部を通して従来的に成長する時にもたらされる。図９の装置では、ｎ型領域２２が成長基板２０の上に形成され、発光領域３４と薄いｐ型領域３６がそれに続く。開口部を有するマスク層７０が、ｐ型領域３６の上に堆積され、次に、ｐ型材料７２が、最初にマスク７０の開口部に、次にマスクの上に成長してピラミッド７４を形成する。ピラミッド７４の間の間隙７６が充填される前に成長は中止される。多くの場合にｎ型であって別の成長基板上に成長した半導体領域４０が、次に、ピラミッド７４に結合される。成長基板２０、又は半導体領域４０がその上に成長した成長基板（図示しない）のいずれかが除去される。半導体領域４０の代わりとして、ホスト基板をピラミッド７４に金属結合することができる。また、ピラミッド７４間の間隙７６を保存するが割り込まれていない平坦表面として上部で終端する層をピラミッド７４の上に成長させることができる。
代替的に、図９のマスク７０は、マスク開口部に成長した材料７２とピラミッド７４がｎ型になるようにｎ型領域２２の上に堆積させることができる。割り込まれていない平面ｐ型領域、活性領域、及び任意的なｎ型領域は、別の成長基板上に成長させ、次にｎ型ピラミッド７４に結合することができる。
【００３６】
本発明の実施形態は、いくつかの利点を提供する。フォトニック結晶のエッチングによって生じる損傷が防止されるので、成長したフォトニック結晶を組み込む装置は、エッチングされたフォトニック結晶を有する装置よりも効率を改善することができる。また、本発明の実施形態では、電気接点がその上に作られる平坦な表面は、活性領域のｐ型側とｎ型側の両方で利用可能である。接点の設計は、従って、フォトニック結晶が中に形成される層への接触を必要とする装置よりも簡単になる。
【００３７】
本発明を詳細に説明したが、当業者は、本発明の開示が与えられると、本明細書に説明した革新的概念の精神から逸脱することなく本発明に修正を行うことができることを認めるであろう。例えば、上述の実施例における装置の構造は、実施例で説明した特定の成長技術に限定されない。例えば、図８に示す２つのフォトニック結晶を有する装置は、図８に示すような厚いマスク層ではなく、図２に示すような薄いマスク層を使用して成長させることができ、又は図８に示すようなポストではなく、図９に示すようなピラミッドを使用して成長させることもできる。従って、本発明の範囲は、図示して説明した特定的な実施形態に限定されないものとする。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】ＩＩＩ族窒化物フォトニック結晶発光装置の断面図である。
【図２】フォトニック結晶を形成する半導体ポスト内に発光領域が形成され、割り込まれていない平面ｐ型領域が半導体ポストの上に成長した装置の断面図である。
【図３】フォトニック結晶を形成する半導体ポスト内に発光領域が形成され、半導体ポストが第２の成長基板上に形成された第２の半導体構造に結合された装置の断面図である。
【図４】フォトニック結晶を形成する半導体ポスト内に発光領域が形成され、半導体ポストはホスト基板に結合した金属である装置の断面図である。
【図５】フォトニック結晶を形成する半導体ポスト内に発光領域が形成され、半導体ポストが厚いマスク層を通って成長した装置の断面図である。
【図６Ａ】図２−４に示す装置を形成する代替方法の１つを示す図である。
【図６Ｂ】図２−４に示す装置を形成する代替方法の１つを示す図である。
【図６Ｃ】図２−４に示す装置を形成する代替方法の１つを示す図である。
【図７】割り込まれていない平面活性領域と活性領域の後に形成されたフォトニック結晶とを備えた装置の断面図である。
【図８】割り込まれていない平面活性領域によって分離された２つのフォトニック結晶を備えた装置の断面図である。
【図９】割り込まれていない平面活性領域と活性領域の後に形成されたフォトニック結晶とを備えた装置の代替的な実施形態の断面図である。
【図１０】割り込まれていない平面活性領域と活性領域の前に形成されたフォトニック結晶とを備えた装置の断面図である。
【図１１】様々な屈折率の材料のフォトニック結晶格子の例の上面図である。
【図１２】薄膜装置に加工された図２の装置を示す図である。
【図１３】準結晶を形成する構成の２つの例の１つを示す図である。
【図１４】準結晶を形成する構成の２つの例の１つを示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
２０  成長基板
２２  ｎ型領域
２４  マスク層
２６、２８、３０  ポスト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2006352148.tif 000007
【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【外国語明細書】
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